蓝牙技术计算机论文蓝牙家庭网络的研究蓝牙跳频算法的改进.docx
《蓝牙技术计算机论文蓝牙家庭网络的研究蓝牙跳频算法的改进.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《蓝牙技术计算机论文蓝牙家庭网络的研究蓝牙跳频算法的改进.docx（52页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
蓝牙技术计算机论文蓝牙家庭网络的研究蓝牙跳频算法的改进
中图分类号：
TN911
密级：
单位代号：
11903学号：
00118234硕士学位论文硕士学位论文
SHANGHAIUNIVERSITY
MASTER’STHESIS
作者傅剑虹
学科专业通信与信息系统
导师汪敏教授
完成日期2003年2月
上海大学
本论文经答辩委员会全体委员审查，认符合上海大学硕士学位论文质量要求。
答辩委员会签名：
（工作单位职称）
主任：
委员：
导师：
答辩日期：
2003年月
确
图书分类号：
TN911单位代号：
11903
学号：
00118234
上海大学工学硕士学位论文
蓝牙跳频算法的改进
与蓝牙家庭网络的研究
硕士生：
傅剑虹
导师：
汪敏教授
学科专业：
通信与信息系统
上海大学通信与信息工程学院
二OO三年二月
ADissertationSubmitted
ToShanghaiUniversityforthe
DegreeofMasterinEngineering
TheImprovementontheBluetoothHopSelectionAlgorithmandtheResearchofthe
Bluetooth-basedHomeNet
M.D.Candidate：
FuJianhong
Supervisor：
Prof.WangMin
Major：
CommunicationandInformationsystem
ShanghaiUniversity
SchoolofCommunication&InformationEngineering
February,2003
上海大学硕士学位论文
摘要
随着个人计算机和因特网在家庭中的迅速普及，以及信息家电智能化程度的提高，家庭网络，特别是简单、灵活与可靠的家庭网络日益受到人们的关注。
作为一种开放性的短距离无线通信技术，蓝牙技术将是家庭网络低速率数据传输的最佳解决方案。
蓝牙工作在全球通用的2.4GHzISM（工业，科学，医学）频段，由于该频段对所有无线电子系统都开放，Bluetooth设备会受到相当严重的干扰。
为此Bluetooth采用了快速跳频技术，以确保最大限度的削减来自其他设备的射频干扰。
文章首先介绍了蓝牙跳频系统中跳频序列的产生算法，接着以此算法为基础，以躲避干扰为目的，从提高系统抗干扰能力的角度出发，提出了一种改进的自适应跳频方案来进一步改善系统的性能，最后基于C语言和MATLAB工具对原跳频系统和改进后系统分别进行了系统仿真和性能分析，并对两个系统性能进行了比较。
仿真和分析比较结果表明，本文提出的改进方案大大提高了系统的抗干扰能力。
论文还研究了基于蓝牙技术无线家庭网络的实现，阐述了如何通过蓝牙网关来实现对家庭蓝牙信息家电的远程监控，以及家庭内的个人PC机和笔记本电脑等如何通过蓝牙网关访问Internet。
本文详细介绍了蓝牙网关的实现，文章从实现蓝牙网关所需的蓝牙应用模型――局域网接入应用模型着手，论述了如何从软件上完成蓝牙协议和基于主机蓝牙上层应用程序的开发，直至最终实现局域网接入应用模型。
关键词：
蓝牙，家庭网络，蓝牙网关，局域网接入，跳频算法，自适应。
I
上海大学硕士学位论文
Abstract
WiththerapidpopularizationofPCandInternetinthehome,andimprovementoftheintelligentizeddegreeofinformationhouseholdappliances,HomeNet,especiallysimple,flexibleandrobustHomeNetisgettingmoreandmoreattention.Asashort-rangewirelesscommunicationtechnology,Bluetoothisoneofthebestsolutiontolow-ratewirelessHomeNetconnection.
Workingattheopening2.4GHzISMbandwhichisfreetobeaccessed,Bluetoothdeviceswillbeeasilyinterferedwithbyothersystems.ToinducetheRFinterferencefromothersystemsbythegreatestdegree,Bluetoothusesthefastfrequencyhoppingtechnology.Thehopselectionalgorithmisintroducedinthispaper.Andtoimprovetheperformanceofanti-interference,animprovedadaptivefrequencyhoppingschemeissuggestedonthebasisoforiginalalgorithm.Tocomparetheanti-interferenceperformancebetweentheoriginalandimprovedsystem,systememulationandperformanceanalysisisimplementedbyusingClanguageandMatlab.Theresultofemulationandanalysisshowsthattheimprovedschemeputforwardbythepapergreatlyenhancesthesystem’santi-interferenceperformance.
TheotherpartofthispaperdiscussestheresearchandrealizationoftheBluetooth-basedHomeNet,includinghowtorealizelong-distancecontroltotheinformationhouseholdappliancesthroughInternet,andhowthePCorportablecomputerintheHomeNetaccessesInternetthroughBluetoothgateway.TherealizationofBluetoothgatewayisemphasized.CommencingontheBluetoothapplicationprofile–LANAccessProfile,thepaperdiscussesuntiltheimplementofBluetoothprotocolsandhighlayerBluetoothapplicationprogrammingtothefinalrealizationofLANAccessProfileindetail.
Keywords:
Bluetooth,HomeNet,Bluetoothgateway,LANAccess,hoppingalgorithm,
adaptive.
II
上海大学硕士学位论文
目录
摘要.............................................................................................................................IAbstract........................................................................................................................II
第一章前言.................................................................................................................1
1.1引言......................................................................................................................1
1.2家庭网络连接技术..............................................................................................1
1.2.1有线家庭网络连接技术........................................................................1
1.2.2无线家庭网络连接技术........................................................................2
1.3基于蓝牙技术的无线家庭网络..........................................................................3
1.4本论文研究的主要内容......................................................................................3
第二章蓝牙有关协议.................................................................................................5
2.1蓝牙协议体系及应用模型..................................................................................5
2.2蓝牙协议和PPP协议.........................................................................................7
2.2.1蓝牙协议................................................................................................7
2.2.2PPP协议...............................................................................................15
2.3小结....................................................................................................................17
第三章蓝牙跳频算法的分析与改进.......................................................................18
3.1蓝牙系统对跳频伪随机序列的要求................................................................18
3.2蓝牙系统跳频序列算法....................................................................................18
3.3系统改进方案....................................................................................................20
3.4系统仿真及性能分析........................................................................................22
3.4.1跳频序列均匀特性分析......................................................................22
3.4.2系统抗干扰性能分析..........................................................................23
3.5小结....................................................................................................................28
第四章蓝牙家庭网络的设计和实现.......................................................................29
4.1家庭网络的远程控制方案................................................................................29
4.2蓝牙PC机的Internet接入..............................................................................30
4.2.1实现蓝牙网关所需应用模型——局域网接入..................................31
III
上海大学硕士学位论文
4.2.2LAP（蓝牙网关）的实现设计...........................................................33
4.2.3蓝牙软件开发环境..............................................................................35
4.2.4蓝牙协议的实现..................................................................................37
4.2.5蓝牙RFCOMM连接的软件实现......................................................39
4.2.6蓝牙局域网接入应用规范的最终实现..............................................44
4.3小结...................................................................................................................45
结束语.........................................................................................................................46
参考文献.....................................................................................................................47
作者攻读学位期间公开发表的文章.........................................................................50
致谢...........................................................................................................................51
IV
上海大学硕士学位论文
第一章前言
1.1引言
网络技术正以前所未有的速度渗入普通家庭，无处不在的网，无处不在的计算（Everythingconnecting,Everythingcomputing）成为当今计算机技术的潮流，同时也带来了家居环境的变革，PC、PDA以及数字相机、蜂窝电话、数字电视开始涌入家庭；具有信息访问功能的微波炉、冰箱及空调等各种数字化消费电子产品也将出现在人们的视野。
Internet带来了无限的信息流通、快速便利的信息交换以及远端信息存取控制等好处，浩瀚的网络信息使人们把Internet访问、电子邮件、个人商务以及网上购物等作为购买电脑的主要目的。
为了在家中更方便地获取信息、通信或娱乐，人们开始将所有这些信息家电（InternetInformationAppliance）连接成无线或有线的网络；通信、计算机与消费电子（3C的结合）的进一步融合，必将带来数字化、智能化、网络化的信息家电的更快发展。
家庭网络开始在生活中扮演越来越重要的角色，一场由家庭网络引发的新的革命悄然兴起。
家庭网络是指将个人电脑、信息家电、三表（水表、电度表、煤气表）、照明系统及安全报警系统连接在一起而构成的网络。
它在家庭内部能够实现各信息家电联网，对外部能够接入智能小区网络和Internet。
人们所关注的最后一公里的问题，实际上仅仅解决了一半，家庭网络才是宽带连接最后一百码需要完成的任务。
1.2家庭网络连接技术
家庭网络的连接技术有四类，它们分别是：
传统局域网络、电话线网络、电力线网络和家庭无线网络。
也可将其划分为有线和无线两大类。
1.2.1有线家庭网络连接技术
传统局域网连接建立在IEEE802.3标准的基础上，使用以太网的形式，通过双绞线或同轴电缆传输信号，速度从10Mbps到100Mbps不等，具有较高可靠性，广泛地应用于商业企业中。
但是成本太高，安装维护困难，家庭网络中很少采用这种方案。
基于电话线的家庭网络具有廉价、简单、成熟的特点，发展最为迅速。
其遵循的协议是HomePNA（HomePhonelineNetworkingAlliance）标准。
HomePNA2.0版本已经于1999年下半年发布，其速率是10Mbps。
HomePNA规范与现存Internet
1
上海大学硕士学位论文
访问技术兼容，如V.90、ADSL或CableModem。
电源线网络的最大好处是用户无须为组建家庭网络重新布线投资，居室内随处可见的电源插座都可以用来连接任何一台信息电器设备，可以节约大量的人力、物力和财力。
随着HomePlug标准的建立，电源线网络将有统一的技术规范进一步消除来自电力系统的低频噪音干扰，将有着十分诱人的发展前景。
1.2.2无线家庭网络连接技术
无线家庭网络的最大优点是可移动性，可以省去各种专用的连接电缆，为可移动设备接入家庭网络提供了很大便利，网络中设备的位置更加灵活。
目前主要的无线网络技术有IrDA、HomeRF、IEEE802.11b和Bluetooth（蓝牙）。
IrDA（InfraredDataAssociation）工作距离1米，速度为115Kbps，传输角度只有30度，超过这个角度在传送数据时两个接口必须正对，各设备之间不可以有固体障碍。
HomeRF[3]主要针对家庭网络进行设计，旨在降低语音数据成本，它制定了一种共享无线访问协议（SWAP）。
HomeRF工作在2.4G频段，支持数据和语音，其数据通信采用简化的IEEE802.11b协议标准，进行语音通信时采用DECT（DigitalEnhancedCordlessTelecommunication）标准，使用TDMA的时分多址技术。
HomeRF采用跳频扩频（FHSS）技术，跳频速率为50跳/秒，共划分了75个带宽为1MHz的跳频信道。
调制方式分为2FSK和4FSK两种，采用2FSK时传输速率为1Mbps，采用4FSK时最大速率可达到2Mbps。
每个网络支持27个设备联网，发射功率为100mW，并且提供了与TCP/IP良好的集成。
HomeRF最大的缺点是开放性不够好，技术标准没有公开，而且技术本身的抗干扰性也比较差。
IEEE802.11b[4]协议集中在ISO模型的物理层和MAC层上，工作在2.4GHz频段，采用补偿码键控制调制技术（CCK），发射功率最高为100mW（20dBm）。
它的最高速率可以达到11Mbps，当射频情况变差时，数据传输速率将降低到5.5Mbps、2Mbps和1Mbps。
802.11b在MAC层采用碰撞避免的载波检测多路访问（CSMA/CA）或分布式协调功能（DCF）。
该标准的设计目标决定了它比较适合于在布线代价较高的企业内部构建无线网络，而不适合家庭网络的组建。
蓝牙技术[1]使用2.4GHz全球通用的ISM（工业、科研和医疗）频段，为了减少干扰，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定、抑制干扰和防止衰落。
蓝牙采用跳频技术，以每秒1600跳的频率在79个跳频通路内跳频，使干扰可能的影响变成很小。
另外，它还使用FEC（ForwardErrorCorrection，前向纠错）来抑制了长距离链路的随机噪音。
蓝牙的数据传输总速率为1Mbps，以时分多路制式实现双工通信。
蓝牙发射时，无线输出功率为0dBm，通信距离可达10m，若加上放大器，通信距离可达100m。
接收机的灵敏度不可低于－70dBm。
2
上海大学硕士学位论文
1.3基于蓝牙技术的无线家庭网络
家庭网络发展的方向必将是无线网络，和其它三种无线连接技术相比，蓝牙是家庭网络低速率数据传输的最佳解决方案，它本身具有的系统健壮性、低复杂性、低性能、低成本等优点使得该技术适合于不同的场合；而且由于蓝牙技术标准的开放性，显示了更大的优越性。
为此，对基于蓝牙技术的无线家庭网络进行研究具有极大的理论和实际意义，必将极大的推动信息产业的发展。
本文主要对基于蓝牙技术的无线家庭网络进行研究，图1.1所示即为基于蓝牙技术的HomeNet的组成方案。
图1.1基于蓝牙技术的HomeNet组成方案
由图1.1我们可以看出蓝牙家庭网络主要由蓝牙网关和蓝牙终端设备组成。
蓝牙终端设备可以分为三类：
蓝牙家庭安保类设备（摄像机等），蓝牙信息家电（蓝牙微波炉、蓝牙空调等），蓝牙PC机及其外围设备。
蓝牙网关是家庭网络中的核心，同时也是和外部公用网络互联的接口。
它具体实现两个功能：
一、蓝牙网关是家庭网络的组织者，它利用蓝牙技术将家庭中的信息设备组成
升级会员 